李學(xué)，崔錦福，朱彥興

(1. 中國(guó)石油集團(tuán)東北煉化工程有限公司 吉林設(shè)計(jì)院，吉林 吉林 132002；

2. 中國(guó)石油吉林石化公司 乙烯廠，吉林 吉林132002 )

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環(huán)氧乙烷反應(yīng)器高壓蒸汽包控制方案及聯(lián)鎖保護(hù)

李學(xué)1，崔錦福1，朱彥興2

(1. 中國(guó)石油集團(tuán)東北煉化工程有限公司 吉林設(shè)計(jì)院，吉林 吉林 132002；

2. 中國(guó)石油吉林石化公司 乙烯廠，吉林 吉林132002 )

摘要：高壓蒸汽包作為環(huán)氧乙烷(EO)反應(yīng)器冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其控制方案的作用很重要。采用高壓汽包三沖量控制方案，同時(shí)在氧氣混合站設(shè)置了聯(lián)鎖保護(hù)裝置。闡述了該方案的功能及操作和執(zhí)行方式。實(shí)際應(yīng)用證明，該控制方案使得高壓蒸汽包鍋爐給水流量與出口高壓蒸汽流量達(dá)到平衡，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓蒸汽包的水位控制；通過(guò)高壓蒸汽包液位及出口高壓蒸汽壓力的聯(lián)鎖，保護(hù)了反應(yīng)器及生產(chǎn)裝置的安全，使用效果良好。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧乙烷高壓蒸汽包三沖量控制汽包水位控制

環(huán)氧乙烷是乙烯和純氧在反應(yīng)器中通過(guò)銀催化劑作用生成的，反應(yīng)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，為放熱反應(yīng)，需建立反應(yīng)器冷卻系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行冷卻并回收反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。反應(yīng)器冷卻系統(tǒng)基于熱虹吸原理運(yùn)行，自高壓蒸汽包來(lái)的凝液從反應(yīng)器底部進(jìn)入，經(jīng)反應(yīng)器產(chǎn)生汽水混合物，并經(jīng)反應(yīng)器頂部返回高壓蒸汽包進(jìn)行汽液分離，高壓蒸汽包產(chǎn)生的蒸汽送入蒸汽管網(wǎng)作為熱量進(jìn)行回收利用。

目前鍋爐汽包廣泛采用三沖量控制系統(tǒng)方案，而環(huán)氧乙烷裝置高壓蒸汽包則采用了前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)方案，進(jìn)一步提高了給水控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，充分發(fā)揮了分散控制系統(tǒng)的高級(jí)控制功能[1]。

1控制方案

1.1三沖量控制系統(tǒng)方案

汽包水位三沖量控制系統(tǒng)如圖1所示，高壓蒸汽包的液位通過(guò)主回路調(diào)節(jié)器LIC-01調(diào)節(jié)，同時(shí)重置鍋爐給水流量調(diào)節(jié)器FIC-02，當(dāng)汽包液位增加時(shí)(突然上升) 意味著一個(gè)更劇烈的反應(yīng)發(fā)生和較多的蒸汽產(chǎn)生。 在上述情況下需要更多的水，此時(shí)調(diào)節(jié)器錯(cuò)誤地反應(yīng)為減少給水量。為確保正確控制蒸汽流量，將蒸汽流量FIC-01作為前饋信號(hào)引入到鍋爐給水串級(jí)調(diào)節(jié)副回路中，即對(duì)FIC-02的前饋控制[2]，當(dāng)出口蒸汽流量增大時(shí)，直接導(dǎo)致更多的鍋爐給水，不考慮LIC-01的作用。通常蒸汽流量和鍋爐給水流量是相等的，汽包中液位會(huì)是穩(wěn)定的。采用蒸汽流量前饋控制有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：蒸汽流量改變時(shí)能自動(dòng)改變給水流量，不需要等到液位產(chǎn)生偏差后再引入校正作用，有利于汽包液位的平穩(wěn)控制；LIC-01作為串級(jí)調(diào)節(jié)的主回路，可以把比值度和積分時(shí)間放得稍大，以使給水流量較為平穩(wěn)。

圖1　控制回路示意

雖然，三沖量汽包水位控制系統(tǒng)能及時(shí)克服給水系統(tǒng)的干擾,改善控制品質(zhì)，但是調(diào)節(jié)過(guò)程中還需要解決一個(gè)輸入信號(hào)系統(tǒng)的靜態(tài)匹配問(wèn)題，且動(dòng)態(tài)整定過(guò)程也比較復(fù)雜，因而采用前饋-串級(jí)控制方案，利用前饋使給水量及時(shí)跟蹤輸出量，利用串級(jí)調(diào)節(jié)副回路實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐給水量的調(diào)節(jié)，利用串級(jí)調(diào)節(jié)主回路實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的調(diào)節(jié)。

1.2汽包水位影響因素分析

前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)影響汽包水位的主要因素有鍋爐給水流量和出口蒸汽流量。

1.2.1給水流量對(duì)汽包水位的影響

液位H對(duì)給水流量擾動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)如圖2所示。如果把汽包及其水循環(huán)系統(tǒng)看作一個(gè)單容水槽，那么水位的給水階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)如曲線(xiàn)a1所示。但考慮到給水的溫度低于汽包內(nèi)飽和水的溫度，當(dāng)進(jìn)入汽包后吸收了原有飽和水中的一部分熱量使得汽包內(nèi)部的蒸汽產(chǎn)量下降，液位以下的汽液混合物的總體積也會(huì)相應(yīng)減小，從而導(dǎo)致液位下降，如曲線(xiàn)b1所示。液位的實(shí)際響應(yīng)曲線(xiàn)應(yīng)是曲線(xiàn)a1和b1之和，如曲線(xiàn)c1所示。從圖2中可以看出該響應(yīng)過(guò)程有一段延遲時(shí)間，即它是一個(gè)具有延遲時(shí)間的積分環(huán)節(jié)，水的過(guò)冷度越大則響應(yīng)延遲時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)。

圖2　給水流量擾動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)

其傳遞函數(shù)可以近似表示為

(1)

式中：ε1——汽包水位的變化速度；τ——延遲時(shí)間。

其擾動(dòng)傳遞函數(shù)如圖3所示，可近似認(rèn)為是一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)的形式。

圖3給水?dāng)_動(dòng)傳遞函數(shù)

1.2.2出口蒸汽流量對(duì)汽包液位的影響

液位H對(duì)出口蒸汽流量擾動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)如圖4所示。當(dāng)汽包出口蒸汽量FT-01突然做階躍增加時(shí)，一方面改變了汽包內(nèi)的液位平衡，使汽包內(nèi)液體蒸發(fā)量變大從而使水位下降，如a2所示，另一方面由于汽包出口蒸汽量的突然增加，將使汽包內(nèi)氣泡增多，同時(shí)由于反應(yīng)器放熱量維持不變，因而汽包壓力下降，會(huì)導(dǎo)致液位以下蒸汽泡膨脹，總體積增大，從而導(dǎo)致汽包液位上升，如曲線(xiàn)b2所示。液位的實(shí)際響應(yīng)曲線(xiàn)應(yīng)該是曲線(xiàn)a2和b2之和，如曲線(xiàn)c2所示。通常情況后者的影響要大于前者，因而出口蒸汽量做階躍增加后的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)液位不但沒(méi)有下降反而明顯升高的現(xiàn)象，這種反?，F(xiàn)象通常被稱(chēng)為“虛假水位”，可以認(rèn)為這是一個(gè)慣性加積分環(huán)節(jié)。其傳遞函數(shù)可以近似地表示為

(2)

式中：ε2——汽包液位對(duì)于蒸汽流量的上升速度；t0——“虛假水位”的延遲時(shí)間；K——常數(shù)。

2聯(lián)鎖保護(hù)

氧氣混合站(OMS)是環(huán)氧乙烷裝置反應(yīng)單元氧氣和乙烯進(jìn)料混合裝置，該裝置設(shè)有十分安全可靠的聯(lián)鎖保護(hù)設(shè)施。

當(dāng)高壓蒸汽包液位LT-02液位低低和高壓蒸汽包出口高壓蒸汽壓力PT-01壓力高高時(shí)，立即觸發(fā)OMS系統(tǒng)聯(lián)鎖I-OMS，對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行安全聯(lián)鎖保護(hù)。

3結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述方案對(duì)高壓蒸汽包進(jìn)行合理控制，使得高壓蒸汽包鍋爐給水流量與高壓蒸汽包出口高壓蒸汽流量達(dá)到平衡，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓蒸汽包的水位控制；通過(guò)高壓蒸汽包液位及出口高壓蒸汽壓力的聯(lián)鎖，保護(hù)了反應(yīng)器及生產(chǎn)裝置的安全。目前該控制及聯(lián)鎖方案已通過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，使用效果良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[2]俞金壽，蔣慰孫.過(guò)程控制工程[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3]王樹(shù)青，戴連奎.自動(dòng)控制原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

[4]田濤.過(guò)程計(jì)算機(jī)控制及先進(jìn)控制策略的實(shí)現(xiàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2015)06-0086-02

作者簡(jiǎn)介：李學(xué)(1980—)，男，吉林人，2009年畢業(yè)于東北電力大學(xué)控制工程專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)工作于中國(guó)石油集團(tuán)東北煉化工程有限公司吉林設(shè)計(jì)院自控室，一直從事自控專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)工作，任工程師。

祝廣大作者、讀者2015年新年快樂(lè)！萬(wàn)事如意！

稿件收到日期：2015-09-05，修改稿收到日期：2015-11-08。